1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Успехи современной биологии
  4. T. 143, № 4, 2023

Успехи современной биологии, 2023, T. 143, № 4, стр. 403-416

Микробная биомасса и ферментативная активность целинных и пахотных почв как показатели физиологического состояния микробных сообществ

Е. В. Чернышева 1, *, К. С. Дущанова 1, Т. Э. Хомутова 1, А. В. Борисов 1

1 Пущинский научный центр биологических исследований РАН, Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения
Пущино, Россия

* E-mail: e.chernyysheva@yandex.ru

Поступила в редакцию 02.03.2023
После доработки 11.04.2023
Принята к публикации 11.04.2023

Аннотация

Проведено исследование биомассы и ферментативной активности почв естественных и антропогенно преобразованных экосистем. Исследованы катены целинных серых почв и черноземов заповедника “Белогорье” и катены пахотных почв в однотипных геоморфологических и литологических условиях. Изучена активность ферментов, участвующих в циклах углерода (β-глюкозидаза и ксилозидаза), азота (хитиназа) и фосфора (кислая и щелочная фосфатаза). Установлено, что уменьшение микробной биомассы почв в результате распашки не сопровождается эквивалентным уменьшением ферментативной активности почвы. Выявленная специфика ферментативной активности почв разных типов указывает на различия в структуре микробного сообщества почв и фитоценоза. Определены закономерности изменений ферментативной активности почв на водораздельных участках, в транзитной и аккумулятивной частях катен. Рассчитаны значения удельной, то есть приведенной к единице микробной биомассы, активности ферментов. Полученные закономерности изменения удельной ферментативной активности пахотных почв свидетельствуют о том, что, несмотря на потерю органического вещества и на уменьшение микробной биомассы в результате распашки, физиологическая эффективность микробного сообщества агрочернозема выше, чем в целинной почве. Высокая удельная ферментативная активность в пахотных почвах обусловлена большей скоростью продуцирования ферментов при смене режима землепользования.

Ключевые слова: органическое вещество, микробные сообщества, фосфатаза, β-глюкозидаза, хитиназа, ксилозидаза, сельскохозяйственное освоение

Список литературы

  1. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: МГУ, 1970. 487 с.

  2. Базилевич Н.И. Биологическая продуктивность экосистем Северной Евразии. М.: Наука, 1993. 295 с.

  3. Дущанова К.С., Украинский П.А., Каширская Н.Н. и др. Биомасса и функциональное разнообразие микробных сообществ в катенах целинных и пахотных серых почв и черноземов // Почвоведение. 2023. (в печати)

  4. Игнатенко О.С., Собакинский В.Д. Некоторые итоги охраны растительности Стрелецкой степи // Эколого-ценотические и географические особенности растительности (к 100-летию В.В. Алехина) / Ред. А.Г. Воронов, Г.И. Дохман. М.: Наука, 1983. С. 99–106.

  5. Касаткина Г.А., Федорова Н.Н., Русаков А.В. Почвы и почвенный покров заповедника “Белогорье” // Вестн. СПбГУ. 2012. № 1. Сер. 3. Биол. С. 121–138.

  6. Лысак Л.В., Семенова Н.А., Буланкина М.А. и др. Бактерии в окультуренных почвах монастырей таежно-лесной зоны // Почвоведение. 2004. № 8. С. 976–985.

  7. Масютенко Н.П., Нагорная О.В., Лукьянчикова О.В. Влияние удобрений, типа севооборота, экспозиции склона и вида угодий на динамику содержания микробной биомассы в черноземе типичном // Агрохимия. 2009. № 5. С. 49–54.

  8. Мостовая А.С., Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О. и др. Изменение микробиологической активности серых лесных почв в процессе естественного лесовосстановления // Вестн. Воронеж. ГУ. Сер. Хим. Биол. Фарм. 2015. № 2. С. 64–72.

  9. Пастухов А.В., Кноблаух К., Яковлева Е.В., Каверин Д.А. Маркеры трансформации органического вещества в мерзлотных бугристых болотах на Европейском Северо-Востоке // Почвоведение. 2018. № 1. С. 48–61.

  10. Русаков А.В. Почвы и почвенный покров Ямской степи. СПб.: СПбГУ, 2012. 216 с.

  11. Собина А.С., Хачиков Э.А., Шмараева А.Н. и др. Биологическая активность чернозема обыкновенного через 5 лет после прекращения агрогенной обработки // Агрохим. вестн. 2022. № 1. С. 22–26.

  12. Счастная Л.С., Касаткина Г.А. Почвенно-географические исследования в заповеднике “Лес на Ворскле” – “Белогорье” // Вестн. СПбГУ. Сер. 3. Биол. 2006. № 1. С. 81–87.

  13. Теории и методы физики почв / Ред. Е.В. Шеин, Л.О. Карпачевский. М.: Гриф и К, 2007. 616 с.

  14. Украинский П.А., Щербаков К.В. Эрозионный рельеф участка Ямская степь (природный заповедник “Белогорье”) // Науки о земле. 2014. № 1–2. С. 84–91.

  15. Хазиев Ф.Х. Системно-экологический анализ ферментативной активности почв. М.: Наука, 1982. 204 с.

  16. Хомутова Т.Э., Демкин В.А. Оценка биомассы микробных сообществ почв сухих степей по содержанию в них фосфолипидов // Почвоведение. 2011. № 6. С. 748–754.

  17. Beheshti A., Raiesi F., Golchin A. Soil properties, C fractions and their dynamics in land use conversion from native forests to croplands in northern Iran // Agric. Ecosyst. Environ. 2012. V. 148. P. 121–133.

  18. Bergstrom D.W., Monreal C.M., Millette J.A., King D.J. Spatial dependence of soil enzyme activities along a slope // Soil Sci. Soc. Am. J. 1998. V. 62. P. 1302–1308.

  19. Bittman S., Forge T.A., Kowalenko C.G. Responses of the bacterial and fungal biomass in a grassland soil to multi-year applications of dairy manure slurry and fertilizer // Soil Biol. Biochem. 2005. V. 37. P. 613–623.

  20. Burns R.G., DeForest J.L., Marxsen J. et al. Soil enzymes in a changing environment: current knowledge and future directions // Soil Biol. Biochem. 2013. V. 58. P. 216–234.

  21. Cui Y., Bing H., Fang L. et al. Extracellular enzyme stoichiometry reveals the carbon and phosphorus limitations of microbial metabolisms in the rhizosphere and bulk soils in alpine ecosystems // Plant Soil. 2019. V. 458. P. 7–20.

  22. De Medeiros E.V., De Alcantara Notaro K., De Barros J.A. et al. Absolute and specific enzymatic activities of sandy entisol from tropical dry forest, monoculture and intercropping areas // Soil Till. Res. 2015. V. 145. P. 208–215.

  23. Deng S., Popova I.E., Dick L., Dick R. Bench scale and microplate format assay of soil enzyme activities using spectroscopic and fluorometric approaches // Appl. Soil Ecol. 2013. V. 64. P. 84–90.

  24. Dengiz O., Kizilkaya R., Göl C., Hepşen Ş. Effects of different topographic positions on soil properties and soil enzymes activities // As. J. Chem. 2007. V. 19. P. 2295–2306.

  25. Guan H.L., Fan J.W., Lu X. Soil specific enzyme stoichiometry reflects nitrogen limitation of microorganisms under different types of vegetation restoration in the karst areas // Appl. Soil Ecol. 2022. V. 169. P. 104253.

  26. Jiang X., Wright A.L., Wang X., Liang F. Tillage-induced changes in fungal and bacterial biomass associated with soil aggregates: a long-term field study in a subtropical rice soil in China // Appl. Soil Ecol. 2011. V. 48. P. 168–173.

  27. Kivlin S.N., Treseder K.K. Soil extracellular enzyme activities correspond with abiotic factors more than fungal community composition // Biogeochemistry. 2014. V. 117. P. 23–37.

  28. Lagomarsino A., Benedetti A., Marinari S. et al. Soil organic C variability and microbial functions in a Mediterranean agro-forest ecosystem // Biol. Fertil. Soils. 2011. V. 47. P. 283–291.

  29. Margenot A.J., Nakayama Y., Parikh S.J. Methodological recommendations for optimizing assays of enzyme activities in soil samples // Soil Biol. Biochem. 2018. V. 125. P. 350–360.

  30. Marinari S., Antisari L.V. Effect of lithological substrate on microbial biomass and enzyme activity in brown soil profiles in the northern Apennines (Italy) // Pedobiologia. 2010. V. 53. P. 313–320.

  31. Nannipieri P., Giagnoni L., Landi L., Renella G. Role of phosphatase enzymes in soil // Phosphorus in action / Eds E. Bünemann, A. Oberson, E. Frossard. Berlin, Heidelberg: Springer, 2011. P. 215–243.

  32. Raiesi F., Beheshti A. Soil specific enzyme activity shows more clearly soil responses to paddy rice cultivation than absolute enzyme activity in primary forests of northwest Iran // Appl. Soil Ecol. 2014. V. 75. P. 63–70.

  33. Rosinger C., Rousk J., Sandén H. Can enzymatic stoichiometry be used to determine growth-limiting nutrients for microorganisms? – A critical assessment in two subtropical soils // Soil Biol. Biochem. 2019. V. 128. P. 115–126.

  34. Silva E.D., De Medeiros E.V., Duda G.P. et al. Seasonal effect of land use type on soil absolute and specific enzyme activities in a Brazilian semi-arid region // Catena. 2019. V. 172. P. 397–407.

  35. Sinsabaugh R.L., Moorhead D.L. Resource allocation to extracellular enzyme production: a model for nitrogen and phosphorus control of litter decomposition // Soil Biol. Biochem. 1994. V. 26 (10). P. 1305–1311.

  36. Sinsabaugh R.L., Lauber C.L., Weintraub M.N. et al. Stoichiometry of soil enzyme activity at global scale // Ecol. Lett. 2008. V. 11. P. 1252–1264.

  37. Stott D.E., Andrews S.S., Liebig M.A. et al. Evaluation of β-glucosidase activity as a soil quality indicator for the soil management assessment framework // Soil Sci. Soc. Am. J. 2010. V. 74 (1). P. 107–119.

  38. Tischer A., Blagodatskaya E., Hamer U. Microbial community structure and resource availability drive the catalytic efficiency of soil enzymes under land-use change conditions // Soil Biol. Biochem. 2015. V. 89. P. 226–237.

  39. Wang M., Ji L., Shen F. et al. Differential responses of soil extracellular enzyme activity and stoichiometric ratios under different slope aspects and slope positions in Larix olgensis plantations // Forests. 2022. V. 13. P. 845.

  40. Wang Q., Wang S. Response of labile soil organic matter to changes in forest vegetation in subtropical regions // Appl. Soil Ecol. 2011. V. 47. P. 210–216.

  41. Wickings K., Grandy A.S., Kravchenko A.N. Going with the flow: landscape position drives differences in microbial biomass and activity in conventional, low input, and organic agricultural systems in the Midwestern US // Agric. Ecosyst. Environ. 2016. V. 218. P. 1–10.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Успехи современной биологии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал